led驱动电路范文
时间：2023-03-23 11:57:26
导语：如何才能写好一篇led驱动电路，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。
篇1
【关键词】电解电容；驱动电路；有源纹波补偿；保护电路
1.前言
led（发光二极管）为新一代的绿色照明光源，具有节能、环保、高亮度、长寿命等诸多优点。它不仅是照明光源的新宠，也与人们的生活戚戚相关。因此，研制长寿命的驱动电源，构建高效率、低成本、高功率因数和是LED灯发光品质和整体性能的关键，也是LED照明技术发展的需要。据不完全统计现有的白炽灯泡寿命比LED灯少约40倍。因为发光二级管不仅是直流电流驱动器件，也是光电转换器，有将光电转换的功能。它的作用主要是通过流动电流，将电能转变为光能，所以其优势是比一般的光源的节能效率和工作寿命都要高。但是，在LED驱动电源的整流电路和滤波电路中一般需要使用大容量的电解电容。电解电容器的寿命一般为l05℃/2000h，就是说当电容周围温度升高到105℃时其寿命只有84天，即使工作在温度为85℃的环境中，使用寿命也仅为332天，所以电解电容是阻碍LED驱动电路寿命的主要原因。为了提高驱动电源的寿命，有必要去掉电解电容，为此文中提出一种无电解电容的高亮度LED驱动电源。
2.LED驱动电路的工作原理
3.LED驱动电路的具体设计
3.1 输入电路的设计
3.1.1 EMI滤波器的设计
3.4 有源纹波补偿电路的设计
3.4.1 有源纹波补偿理论
因为现有的LC滤波电路无法完全滤除纹波，而且电容量小的电容滤波效果更差，所以传统的开关电源输出波纹大，若流过LED的电流纹波过大将不仅影响了LED的光效，而且影响LED的光衰，特别是电解电容由于它的使用寿命短，从而严重的缩短了开关电源和LED的使用寿命。因此，从研究小电容量入手、以输出纹波小、能量变换效率高为内容，以使用的安全性和长期性为目的，构建新型驱动电源，是十分重要的和必要的，是当前急需解决的问题，具有一定的科学性和可靠性。
文献[4]在总结主辅补偿电路的基础上，采用线性电源对电感纹波电流进行补偿的方法，其电路结构如图8所示。通过检测电阻R1的电压来检测电感纹波电流，放大器输出与电感纹波电流反向的补偿电流通过电阻R5将电感纹波电流补偿。该电路通过用电阻匹配来解决纹波电流补偿问题，容易实现；并且省去电解电容，使得电源的使用寿命能够延长。
3.4.2 有源纹波补偿电路的设计与仿真
如图9所示，有源纹波补偿电路由三极管，运算放大器A1，A2，和电感电流检测电阻组成。其原理是通过检测电感两端的电流，通过运算放大器A1和A2比较后控制三极管的开关实现电流的补偿。
4.结束语
目前LED驱动电路中，影响驱动电路整体寿命的主要因素是储能电容，所以本设计采用线性电源抑制输出波纹，达到减小储能电容的电容量的目的，因此可以在不增加输出波纹的情况下采用寿命长的薄膜电容取代电解电容，从而提高LED驱动电路的整体寿命。从仿真结果来看，采用以有源纹波补偿后，电路运行稳定，各项指标满足要求，这说明此方法能够有效的提高了驱动电路的使用寿命。
参考文献
[1]王蓓蓓.无电解电容的高亮度LED驱动电源研究[D].江苏：南京航空航天大学，2009.
[2]马年骏.恒流式LED电源的优化设计与应用[J].能源研究与管理，2011（4）：66-69.
[3]孙文婷，羊彦.无电解电容LED驱动电路[J].电子设计工程，2012（14）：8-10.
[4]Fu C M-S，Lu D D-C，Sathiakumar S.A novel method to reduce the operating temperature of high power light-emitting diodes[C].Australasian Universities Power Engineering Conference 2008（AUPEC'08）.Sydney，NSW.Dec 14-17，2008：1-6.
篇2
摘要：发光二极管(LED)具有耗能少、寿命长、成本低等特点,近年来得到广泛应用。介绍了一种基于MAX1916芯片的亮度可调的LED驱动电路，利用改变脉宽的方法来改变LED的发光强度。
关键词： 发光二极管；驱动；脉宽
中图分类号：TN312+.8文献标识码：B
Development of LED Lightness Control Circuit Based on MAX1916
LI Liang-cheng ， ZHANG Yong-shun， LI Zhong-hong
(Staff Room of Medical Image, Bethune Military Medical College,
Shijiazhuang050081, china)
Abstract: Recently, LED has been applied widely. It has the characteristics of less consumption, longer life and lower cost. This article will introduce a sort of drive current of LED which is based on MAX1916.It adjusts the brightness of LED by changing the breadth of impulse.
Keywords：light-emitting diode(LED)；drive；pulse breadth
1 LED
近年来，随着能源短缺现象越来越严重，节能成为全世界共同关注的话题，绿色节能照明的研究也越来越受到重视。LED为全固态发光体、耐震、热辐射小、无污染，具有发光效率高、耗能少、单色性好以及使用寿命长等优点，近年来在各行业应用得到快速发展。目前，LED 应用主要集中在两个方面：一个是低亮度应用场合，包括手机、PDA 等小型电子产品的背光照明，电子仪表的照明等；另一种是需要高亮度的应用场合，主要采用高功率大晶粒 LED，光点集中，可以得到较高的亮度，利于光学设计。LED 的发光强度由驱动电流决定，驱动电流的大小和波动与LED发光强度有着密切的关系,进而对其稳定性和可靠性有着很大的影响。本电路采用恒流芯片MAX1916为LED提供驱动电流,实现发光强度稳定。
2 MAX1916芯片
Maxim公司生产的MAX1916是一种提供偏置电源的专用LED驱动芯片，采用六管脚薄型SOT23封装，尺寸小，可以代替传统LED设计中的镇流电阻。MAX1916利用1个电阻设置3只LED的偏置电流，匹配度可达0.3%，它具有出色的LED偏置匹配度，电源电压变化时偏置变化小、压差低，转换效率高。图1中VCC为电源电压（2.5~5.5V），VCTRL为控制电压，EN为使能端，当控制端输入电压大于2.5V时，器件工作，输出电流驱动LED燃亮；当输入电压小于2.2V时， LED1、LED2、LED3端呈现高阻抗，不能燃亮。
SET是偏置电流输入端，它与3只LED输出电流的关系为ILED= 230 x ISET，而ISET=(VCTRL-VSET)/RSET ，其中VSET = 1.215V,即：
ILED=230(VCTRL-1.省略。
篇3
关键词：高职院校；LED驱动电路设计；课程教学改革随着LED的发展及其应用引起了广泛的关注，高职院校光电子技术等专业陆续将LED相关课程纳入专业课程的学习领域。作为LED系列课程的基础核心课程《LED驱动电路设计》，其课程教学改革与实践的探究对该课程的建立与实施发挥了极其重要的作用。本文将结合高职学生特点，对《LED驱动电路设计》课程教学改革与实践进行探究，从而为高职院校开设类似专业课程的课程开发及实施提供一定的理论基础。
一、学习领域设计
《LED驱动电路设计》是光电子技术与LED应用专业的必修课程，该课程结合LED驱动电路的最新应用技术，把LED驱动电路设计要点与电路实例有机结合起来，系统介绍了从事LED驱动电路研发、设计所必须的基础知识，以及在驱动电路设计过程中应掌握的设计要点。根据LED驱动电路研发和技术岗位的具体工作任务，培养学生重点培养学生分析电路、设计电路、调试电路及阅读工程资料等方面的职业能力及较强的动手实践能力。同时要求学生具备一定的LED驱动电路的设计和研发能力，同时培养学生的自学能力、动手能力及实践能力，具备良好职业道德及职业能力，具有良好的沟通协作精神，培养能从事LED驱动电路设计，或LED应用生产、研发和检测和管理岗位的技能型人才。
《LED驱动电路技术》课程的前修课程主要有《工程光学基础》、《电工与电子技术》、《LED技术基础》，通过该课程的学习及LED显示控制等相关课程的完成构成了一套比较完整的LED技术知识体系。《LED驱动电路技术》的学习内容主要包括LED基础知识、LED驱动电源的分类和要求、LED驱动电路、LED的应用技术。课程学习内容的组织与安排，应先知识后能力、由简入繁、循序渐进，不以传统的章节知识点为授课主线，代以真实项目为载体。具体的LED驱动电路设计任务分为：低压直流供电的LED驱动电路设计、阻容降压式的LED驱动电路设计、开关电源市电供电的LED驱动电路设计、带功率因数校正的高功率LED驱动电路设计、市电供电的非隔离LED驱动电路设计、可调光LED驱动电路的分析。根据LED驱动电路设计的关键技术，选择了基本涵盖本课程全部内容的6个典型工作项目，根据完成这些工作任务所需要的知识、能力、素质要求开展教学。
二、评价方案和教学资源建设
在课程的评价方案方面，可结合教师评价、自我评价、学生互评、小组评价等多方评价获得相对全面的评价结果。教师评价方面，依据课程要求，设计针对学生的评价考核《评分标准》，根据评分标准及项目完成情况评分，以学生自评为主、学生互评为辅，教师在评价过程中起引导调控作用。关注学生个体差异，注重过程性、表现性和发展性评价。自我评价方面，各小组成员之间依据《评分标准》自我评价。小组评价方面，评价在完成任务过程中的表现情况如纪律、态度、团队意识、责任意识、服务意识、关心他人等。
教学资源建设方面，建设有教学设计方案、电子教材、教学课件、案例库、习题库、训指导书等教学基本文件，符合课程设计要求，能满足网络课程教学需要。实训方面配有相关的计算机、软件开发平台、电子器件及相关的检测设备，达到教、学、做一体。
（作者单位：中山火炬职业技术学院）
参考文献：
[1]陈东旭，张帆，石雪梅.基于学习情境的高职精品课程建设策略探讨[J].广东教育・职教，2012（2）：17.
篇4
关键词： LED背光源；Boost拓扑；电容平衡；保护电路
中图分类号：TN312+.8 文献标识码：B
The Design of Capacitor Balanced Driver for Edge-lit LED Backlight Based on Boost Topology
MENG Xian-ce1, LIU Wei-dong1,2, QIAO Ming-sheng2
（1. Dept. of College of Information Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao Shandong 266100, China; 2. Hisense Electric Co., Ltd, Qingdao Shandong 266071, China）
Abstract: Based on boost topology, this paper introduces a LED driver circuit that uses a capacitor to achieve one boost circuit drive two strings of LED light string work in a constant current mode.
Keywords: LED backlight; boost topology; capacitor balanced; protect circuit
引 言
侧导光LED背光源以其能够支持液晶电视超薄化和节能环保设计的优势，正在得到广泛的应用。
目前，大尺寸的液晶屏要有多串LED灯条做背光源，多采用Boost拓扑的LED驱动电路进行驱动，一般以一路Boost驱动一串LED灯条的方式实现恒流控制的目的，每路都需要一个升压MOS管和一个调光MOS管，并且每路输出都需要电解电容满足LED正常工作，系统所使用的器件多，成本较高。
本文基于Boost拓扑电路，设计实现一种具有电容平衡功能的侧导光LED背光源驱动电路，能够实现一路Boost电路驱动两串LED灯条，可减少元器件使用，降低系统成本。
1 基本原理
Boost拓扑电路即升压（Boost）变换器，是一种从低压输入得到高压输出的开关调整器。其工作过程包含能量存储和能量释放两个阶段，开关导通期间，电感储存能量，输出电容单独为负载提供电源；开关断开期间，储存了能量的电感与输入电源串联共同为负载提供电源。
电容是开关电源中常用的元件，具有储存电能和传递电能的作用。电容的充放电过程存在C=Q/U和Q=It的关系，其中C为电容器的容量，Q为电容器存储的电荷量，U为电容器两端电压差，I为充放电电流，t为充放电时间。在选定的电容量C条件下，只要设置适当的时间，即可实现电容充电和放电的电荷量相等，起到平衡连接在电容两端的电路电流的作用。
2 系统架构
基于以上原理，我们设计了一种电容平衡式LED驱动电路，其系统框图如图1所示。
该LED驱动系统包括六部分功能电路，在LED驱动控制芯片的控制之下，各功能电路协调工作，通过电容平衡实现一个Boost电路驱动控制两串灯条同时恒流工作。
3 电容平衡式驱动电路系统
图2所示为电容平衡式驱动电路系统原理图。
3.1 LED驱动控制芯片及其电路设计
本设计所选择的芯片为安森美半导体公司的NCP1252芯片。该芯片是一款基于电流模式脉冲宽度调制（PWM）的驱动控制芯片，目前大多应用于AC-DC类反激电源当中。本系统通过给NCP1252芯片以12V的DC电压供电，使芯片的驱动输出电平为12V，具有较强的驱动能力。通过设置芯片的Rt脚和SS脚，使电路工作在180kHz频率下，保证芯片频率稳定，驱动开关损耗较小，同时保证本系统的电磁兼容（EMC）效果最佳。
3.2 DC-DC升压电路
为保证LED灯的光效，要求驱动电路工作在恒流控制模式，输出到LED灯的电压可以动态调整。本系统采用工作在不连续模式的Boost电路，实现升压系数随负载变化的可调性，达到动态输出电压恒流驱动LED的目的。本设计中利用Boost电路的电感输出端输出功率，便于电容平衡电路的工作，实现一路Boost电路驱动控制两串灯条同时恒流工作的目的。
3.3 电容平衡电路
电容具有储存电荷的功能。本电路中利用电容充电和放电电荷量相等的特点，实现两串LED灯串的电流平衡。基于Boost电路的电容平衡电路模块原理图如图3所示。
图中，电容C1是用于平衡电流的电容，本设计中选择没有极性的聚丙烯电容以实现耦合平衡的作用。电路正常工作时，B点是电容C1的输入端，C点是电容C1的输出端。当Boost电路的开关管V1关断时，电容C1接受电感L1的充电，使C点电平为一倍LED灯串的电压，经过VD4整流和C3滤波驱动LED灯条1发光。电阻R8阻值较小，电容充电时B点电位高于C点电位，所以，当Boost电路的开关管V1导通时，电容C1的B点通过开关管V1及电阻R8对地放电，使地的电位高于C点电位，使C点和地之间产生负电压，经过VD1整流和C2滤波驱动LED灯条2发光。
3.4 恒流采样电路
本系统采用比例电流源电路来实现LED的恒流采样，达到控制流经LED灯的电流恒定的目的。如图2所示，流经LED灯串的电流ILED与驱动控制芯片N1的FB脚电流IFB以比例的关系可产生相同趋势的变化。芯片N1工作时FB脚电流IFB会稳定在1mA。当IFB>1mA时，芯片N1减小输出驱动脉冲的占空比，以降低LED灯条中的电流到设定值；当IFB
3.5 保护电路
本电路具备过压保护、过流保护、短路保护和开路保护功能，各保护功能通过触发保护功能主电路实现。
3.5.1 保护功能主电路
保护功能主电路模块如图4所示。
图4中A点为保护触发信号的输入点，当输入到A点的电平信号大于NPN型三极管V3的be结电压时，V3饱和导通，电阻R4两端产生压降，当R4的压降大于PNP型三极管V2的eb结电压时，V2饱和导通，12V_VCC的电压经电阻R20输入到保护触发信号的输入点，即A点，实现A点一旦被触发，则锁定在触发状态。重新上电即可退出锁定。
当保护点的触发状态被锁定后，V3一直处于饱和导通状态，从而使连接到芯片BO脚的二极管VD13导通，将芯片BO脚的电平置低，其电平值为V3的饱和导通压降（Vce≈0.1V）与VD13导通压降（Vd≈0.3V）之和，即VBO=Vce+Vd≈0.1+0.3=0.4V
在PNP型三极管V2饱和导通，本电路还设计了将12V_VCC通过R12输入到芯片的电流取样端Cs脚，使该引脚电平超出其正常工作的电平范围最大值1V，芯片立即响应，关闭驱动脉冲的输出，进入保护状态。
3.5.2 OVP电路和OCP电路
本系统中的OVP电路从Boost输出端取样，经过电阻分压后通过稳压二极管VZ1连接到保护触发信号的输入点A点，当过压时即可触发启动上述保护功能主电路模块，实现对灯条串和电路系统的保护。
本系统中的OCP电路从Boost升压电路开关管V1下端取样，当LED灯条过流时，电阻R8压降变大，通过电阻R21触发保护信号输入点A，启动保护功能主电路模块，实现保护功能。
3.5.3 开路保护和短路保护
当LED灯条串开路时，驱动控制芯片N1的FB脚将无电流，芯片停止输出驱动脉冲，系统进入保护状态。当LED灯条串短路时，FB脚的电流大于1.5mA，芯片同样停止输出驱动脉冲，系统进入保护状态。
3.6 调光电路
本系统的调光电路通过在芯片BO脚接两个电阻R10和R17以及一个二极管VD6实现LED灯条串电流的动态控制，以达到节能的效果。
4 测试波形及分析
由图5的测试波形可见，以系统地为参考零电位，电路中VD1的输出为负电压，即当电容C1放电时，B点电位高于C点电位所产生。
由图6的测试波形可见，电路进入保护状态时，A点电平升高并维持在高电平状态，同时BO脚电平被从1V拉低到约0.4V，芯片锁定在保护的状态。
5 结 论
本文设计了一种新的LED驱动电路架构，实现了电容平衡式LED驱动电路系统。该系统使用一路Boost升压电路驱动两串LED灯条同时恒流工作，相对于传统的恒流驱动电路，使用的元器件少，电路结构优化，成本较低。该电路系统目前已成功实现批量应用，对其它电路结构的优化具有启发性意义，将是下一步研究工作的重点。
参考文献
[1] Abraham I. Pressman著，王志强等译. 开关电源设计（Switching Power Supply Design）[M].北京：电子工业出版社，2005.
[2] 王增福，李 昶，魏永明. 软开关电源原理与应用[M]. 北京：电子工业出版社，2006.
篇5
关键词： 太阳能路灯； LED； 恒流驱动电源； 开关电源； XL6006
中图分类号： TN86?34； TK513 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）06?0168?03
Abstract： Aiming at the application of the high?power constant current driving technology in solar LED street light， a design method of the high?power LED constant driving power supply is introduced. The working principle of Boost switching power supply and element parameter calculation method of its driving power supply are given. The efficiency of the designed power supply was tested. Its conversion efficiency is 92% while the step?up ratio is 1.4. The test results show that the constant current driving power supply of the LED street lamp has high conversion efficiency and a certain practical value.
Keywords： solar street lamp； LED； constant current driving power supply； switching power supply； XL6006
0 引 言
太能是人们公认的清洁能量[1]。随着太阳能光伏发电技术发展和大功率LED生产工艺水平的提高，光伏太阳能LED路灯[2]作为一种高效、环保、节能、绿色照明[3]，在照明领域中得到推广与应用[4]。LED是一种半导体发光器件，其寿命极易受到温度影响[5]。为了延长太阳能LED路灯的使用寿命，要采用恒流驱动电源[6]来驱动太阳能LED灯。
针对大功率的恒流驱动技术在太阳能LED路灯中应用，本文介绍了大功率LED恒流驱动电源设计方法与技术。本LED路灯恒流驱动电源具有转换效率高，成本低廉等特点。
1 Boost开关电源工作原理
太阳能路灯采用的大功率LED灯，一般是由小功率的LED灯串联而成；因此，在太阳能LED路灯照明系统中，需要一个升压式开关电源（DC/DC变换电路[5]）来驱动大功率LED照明灯。升压式开关电源的原理图[5]如图1所示，其中：L为功率电感；A1和A2构成PWM调制电路；D为续流二极管；C为滤波电容；RL为电源的负载。图2（a）为当T闭合时的等效电路，图2（b）为当T 断开时等效电路。在图2中，当电路工作在稳态时，电感器上的电流的变化量相等， 根据电路知识可得到如下等式：
[UiTON=（Uo-Ui）TOFF] （1）
式中：TON为开关闭合时间；TOFF为开关断开时间，令D1=[TONTS]，D2=[TOFFTS]；TS为开关周期，利用D1+D2=1关系式，可得到输出电压与输入电压的关系：
[UoUi=11-D1=1D2] （2）
分析可知电感纹波电流、开关频率和电感之间的关系为：
[ΔiL1=1LfsUiD1] （3）
式中，电感器的纹波电流大小与输入电压Ui和占空比D1成正比，与电感量L和开关频率fs成反比，它是选定电感量的重要的理论依据。
当转换器工作在稳态时，得电感上的平均输入电流如下：
[ILA=Io（1-D1）] （4）
式中：ILA电感上的平均输入电流；Io为平均输出电流。
2 太阳能LED路灯恒流驱动电源设计
2.1 电路原理图
图3为LED路灯用的恒流驱动开关电源的电路图。由图3可知，本设计主要由XL6006芯片、微控制器、储电池和一些元件构成。XL6006是一块高效升压型开关型恒流驱动芯片，其内部集成了功率开关管，具有电源转换率高和元件少等优点，是理想的LED恒流驱动芯片。L为大功率储能电感器，D1为开关电源的续流二极管，当XL6006内部的功率开关管闭合时，XL6006第3引脚接地，二极管D1反偏截止，电感器中的电流线性增大，电感器储能；当XL6006内部的功率开关管断开时，XL6006第3引脚悬空，二极管D1正偏导通，电感器中的电流流向负载LED。ST15W401为一片单片机，内部集成了A/D转换器和PWM控制器，R1和R2为分压电路，储电池的电压通过分压电路分压之后，输到单片机的第1脚。RS为电流取样电阻， D3和RF为开关电源的功率控制路，控制太阳能路灯恒流驱动电源输出功率。
2.2 电路参数的计算
在计算PWM占空比D1时，按输入电压为12.5 V，输出电压为24 V计算，所以根据式（2）可以计算此驱动电源的占空比D1为：
[D1=Uo-UiUo=24-12.524≈0.479] （5）
在计算电感器的平均电流ILA时，按输出的电流为1 A计算，根据式（4）可计算出电感器的平均电流（单位为A）：
[ILA=Io1-D1=11-0.479≈1.9] （6）
在设计电路时，为了让变转换器工作在CCM模式下，电感器的电流的变化量不大于电感器平均电流的50%，在此设计中，电感器最大电流变化量按40%计算（单位为A）：
[ΔIL=ILA×0.4=1.9×0.4≈0.77] （7）
因此，可计算出电感器的峰值电流（单位为A）：
[Ipeak=ILA+ΔIL=1.9+0.77=2.67] （8）
因为 XL6006的开关频率fs为180 kHz，根据式（3）可以计算出转换器的电感值（单位为μH）：
[L=1ΔiL1fsUiD1=12.5×0.4790.77×180×103≈43.2] （9）
根据以上的电感的计算结果，本设计选用47 μH， 5 A的电感器。
3 设计实例样机的试制及性能指标的测试
为了验证设计的正确性，根据以上的电路图和计算出来的元件参数值试制一台样机，并对样机进行测试。在测试时，选用台湾晶元大功率LED灯珠进行实验，把6颗5 W的LED灯珠串联成30 W的大功率LED灯，并把这些LED灯贴在一个大散热器上进行实验。调节输入电压值，用万用表测量不同输入电压下的输入功率与输出功率，计算转换效率，并用表格记录下每次测量结果，如表1所示。
由表1可以看出，当输入电压在11 V左右时，恒流驱动电源的转换效率在87%左右；当输入电压在12 V左右时，恒流驱动电源的转换效率在89%左右；当输入电压在13 V左右时，恒流驱动电源的转换效率在90%左右；当输入电压在14 V左右时，恒流驱动电源的转换效率在91%左右。由此可见，本恒流转换器具有较高的转换效率。为了进一步地了解Boost 升压型开关电源的升压比与转换效率的关系，用数值计算方法拟合升压比和效率数据，拟合曲线如图2所示。从图2可以看出，升压比和效率成反比关系。从图可以看出，当升压比为1.4时，其转换效率约为92%，当升压比为1.5时，其转换效率约为91%，当升压比为2时，其转换效率约为87%，通过计算，由此可见，在设计Boost恒流驱动电源时，为了得到较高的转换效率，升压比控制在2倍以内。
4 结 论
太阳能LED恒流驱动电源，是光伏太阳能LED路灯照明系统的关键部件，其设计质量，直接影响LED路灯的使用寿命。针对Boost恒流驱动技术在太阳能LED路灯中应用，本文介绍太阳能LED路灯恒流驱动开关电源设计方法，并通过实例参数试制一台实验样机，用数值计算方法拟合了样机升压比和效率数据，当升压比为1.4时，其转换效率约为92%，当升压比为1.5时，其转换效率约为91%，当升压比为2时，其转换效率约为87%。测试表明，该恒流驱动的设计方法可行，能为设计大功率LED太阳能路灯恒流驱动电源提供一个参考。
参考文献
[1] 杨秀增，杨仁桓.基于斜率法的太阳能电池串联电阻测量方法[J].实验技术与管理，2016，33（2）：42?44.
[2] 曹卫锋，段现星，胡智宏.大功率太阳能LED路灯控制系统设计[J].电源技术，2013，37（9）：1608?1610.
[3] 刘桂涛，白敬中.太阳能LED路灯在道路照明中的应用[J].孝感学院学报，2009，29（6）：74?76.
[4] 肖海明，陈立，章小印.智能式LED太阳能路灯控制器的设计[J].现代电子技术，2015，38（1）：153?156.
篇6
关键词:发光二极管显示系统;单线;通信方法;指令
中图分类号:TP336 文献标识码:A
A 1-wire System and Communication Method
for LED Display System
WANG Jing-jun, ZHAO Qi-yong, SONG Wei-quan
(Hangzhou Silan Microelectronics CO., LTD.,Hangzhou 310012,China)
Abstract: An efficient 1-wire communication method for LED display system is exhibited in this paper, by carrying out the system level structure and six instructions models of communication system. It applicable to various led display system, especially large led display system, with the features such as efficient, powerful, and flexible.
Key words: LED Display System;1-wire;Communication Method;Instruction
1引言
随着经济和社会的快速发展,以发光效率高、安全可靠、使用寿命长和环保节能为显著特点的LED受到广泛的重视。在LED应用系统中,由于每个LED芯片所能驱动的单元灯数目有限,若要实现大规模系统,就必须对LED驱动电路进行串接,从而驱动更多的单元灯。所述的单元灯是一个像素,可以由3个LED灯组成,例如红色LED灯,蓝色LED灯和绿色LED灯。在大型的LED显示系统中,单元灯之间信号线繁多、连接稳定性差一直是应用的难点。因此需要从LED通信系统和通信方法入手,采用本文介绍的新型单线串接通信方法成为解决目前问题的有效方法。
2常用的LED通信系统及通信方法
目前大多数大型LED显示系统中,LED控制电路与LED驱动电路构成的通信系统的主体,往往采用四根或者更多根串接传输线来实现信号的传输。LED控制电路与多个LED驱动电路通过数据线串接,时钟信号线、锁存信号线并接,通过数据线的串接和时钟信号线的配合,LED控制电路将数据依次发送给串接的LED驱动电路。通过并联的锁存信号线,LED控制电路对所有LED驱动电路同时发出数据锁存指令。LED驱动电路之间,依次串行传输下去,完成串接信号的传输,同时通过串接信号实现对各LED芯片所控制的灯点的控制。
由于时钟信号线和锁存信号线并联,LED控制电路输出的时钟信号线和锁存信号线受驱动能力限制,如果需要驱动大量的LED驱动电路,就需要更多的时钟信号线和锁存信号线的数量,或者在LED控制电路与LED驱动电路之间增加端口驱动电路,增强时钟信号线和锁存信号线的驱动能力,如图1所示。
该通信方法要求四条传输线上的信号之间需要保证严格的时序配合关系,一旦时序配合不准确,数据信号就不能正确传输,整个LED显示系统的串接信号也就无法正确传输,造成整个LED显示系统的瘫痪。
3新型LED显示系统
及其单线串接通信方法
本文提出了一种新型的应用于LED显示系统,尤其是大型LED显示系统的LED显示系统和单线串接通信方法。该通信系统基于单线通信协议,利用数据编码的方式在一条数据传输信道上实现RGB三色信号以及其它信号的传输。LED控制电路与多个LED驱动电路通过单线串接,相对于图1所示系统,减少了数据传输所需要的线路,线路实现简单。
通信方法是LED通信系统的关键,本文重点提出了一种先进的单线串接通信方法,该通信方法具有通信效率高、指令丰富、控制灵活、同步效果好等特点。可以有效地解决传统LED通信系统信号传输苛刻的时序配合问题,提高整个LED显示系统的稳定性和控制灵活性,同时也比当前LED通信系统具有更高的效率。
3.1 系统架构
该通信系统由LED控制电路和若干LED驱动电路串接组成,包括一个LED控制电路和多个LED驱动电路,驱动电路的数量视LED显示系统的规模而定。该系统基于单线通信协议,具有总线结构简单、接口方便、抗干扰能力强等特点,简化了传统LED显示系统中通信系统的复杂性。系统架构图如图2所示。
LED控制电路包括发送端和接收端,发送端连接第一个LED驱动电路接收端,LED驱动电路发送端串接下一个LED驱动电路接收端,最后一个LED驱动电路N的发送端可以连接LED控制电路的接收端,由此组成了本文所述的LED显示系统的通信系统。
3.2 通信方法
3.2.1 通信原理
该通信原理是系统将需要传输给各个LED单元灯驱动电路的信号用一组串行的帧数据表示,接收这些信号的LED单元灯驱动电路从输入帧数据中,根据通信模式和指令类型接收并处理接收到的数据,将处理后的数据构建成新的帧数据作为输出,根据通信模式和指令类型发送给后续地址有效的LED驱动电路,完成一次通信。
3.2.2 时序逻辑与指令模型
3.2.2.1时序逻辑
本文提出的系统中,LED控制电路和各LED驱动电路同时作为发送方和接收方,进行发送方与接收方的通信,发送方的输出端通过单线与接收方的接收端连接,发送方发出三类时序:复位时序、数据时序和处理时序,接收方接收并解码这三类时序后进行相应的操作。
这里复位时序定义为超过T1时间的高电平,处理时序定义为超过T2时间的低电平,数据时序定义为由逻辑0和逻辑1组成的数据串,根据需要可以为复位时序和处理时序以外的所有时序,接收方可以通过解码获得多位数据。
为了灵活实现LED控制电路对部分或者全部LED驱动电路进行操作,设计了LED地址有效确认时序,由复位时序、数据时序和处理时序组成,根据指令有效范围分以下几种类型:
1) 全地址类型,指的是指令对系统中所有LED驱动电路有效,由处理时序0、数据时序1和处理时序1依次组成,如图3 a),数据时序1包含需要执行的指令信息;
2) 单地址类型,指的是指令对系统中单个LED驱动电路有效,由处理时序0、数据时序1、处理时序1、数据时序2和处理时序2依次组成,如图3b),数据时序1包含需要执行的指令信息,数据时序2中包含该地址信息;
3) 开始地址类型,指的是指令对系统中某个地址开始的所有LED驱动电路有效,由处理时序0、数据时序1、处理时序1、数据时序2和处理时序2依次组成,如图3 c),数据时序1包含需要执行的指令信息,数据时序2中包含该开始地址信息;
4) 区间地址类型,指的是指令对系统中从某个地址到另一个地址结束的区间内所有LED驱动电路有效,由处理时序0、数据时序1、处理时序1、数据时序2、处理时序2、数据时序3和处理时序3依次组成,如图3 d)所示,数据时序1包含需要执行的指令信息,数据时序2和数据时序3中分别包含该区间的开始和结束地址信息。
3.2.2.2指令模型
基于上述通信原理和单线协议,设计出了六种串行通信控制与驱动的指令模型,用来定义LED控制电路和LED驱动电路之间的指令操作。LED驱动电路中通信模式寄存器表示的模式包括直通模式、发送处理时序模式、发送数据时序模式。LED控制电路发出的指令类型包括:操作指令、数据设置指令、数据串送指令、数据移动指令、数据回读指令和错误地址回读指令。LED控制电路与各LED驱动电路的通信,根据实际需要由上述指令类型组合实现。
操作指令
操作指令由作为发送方的LED控制电路或LED驱动电路发出,由复位时序、地址有效确认时序和复位时序依次组成,如图4所示。当发送方和接收方进行操作指令通信时,所有LED驱动电路一直为直通模式,地址确认有效的LED驱动电路根据指令同步执行,实现操作功能。同时,可以根据对指令更详细的定义进行其它多种类型的操作,如数据从数据寄存器到输出驱动的锁存、两色交换、运算、时钟模式设置等,不同的操作可以根据实际应用需要设计。
数据设置指令
数据设置指令由作为发送方的LED控制电路或LED驱动电路发出,由复位时序、地址有效确认时序、数据时序1、处理时序1和复位时序依次组成,数据时序1中包含LED控制电路需要发送给所有地址有效的LED驱动电路数据的信息。此时所有LED驱动电路一直为直通模式,地址确认有效的LED驱动电路根据指令同步将接收的数据置入数据寄存器,实现数据设置功能,如图5所示。
数据串送指令
数据串送指令由作为发送方的LED控制电路发出,由以下时序依次组成:复位时序、地址有效确认时序、数据时序1、处理时序1、…、数据时序i、处理时序i、…、数据时序N2、处理时序N2、复位时序,如图6所示。数据时序1、…、数据时序N2分别包含LED控制电路需要发送给各地有效的LED驱动电路的数据信息,N2表示需要串送的地址个数。此时地址确认无效的LED驱动电路一直为直通模式;地址确认有效的LED驱动电路将进行以下操作:把接收的指令时序中属于本LED驱动电路的数据时序替换为处理时序进行发送,并将接收的相应数据置入数据寄存器,实现数据串送功能。
数据移动指令
数据移动指令由作为发送方的LED控制电路或LED驱动电路发出,由以下时序依次组成:复位时序、地址有效确认时序、数据时序i、处理时序i、复位时序,如图7所示,数据时序i中包含上一个地址有效的LED驱动电路的数据信息。此时地址确认无效的LED驱动电路一直为直通模式;地址确认有效的LED驱动电路将进行以下操作:把接收的指令时序中上一个地址确认有效的LED驱动电路的数据时序替换为本LED驱动电路的数据时序进行发送,并将接收的相应数据置入数据寄存器,实现数据移动功能。
数据回读指令
数据回读指令由作为发送方的LED控制电路发出,由复位时序、地址有效确认时序和复位时序依次组成,如图8所示。此时地址确认无效的LED驱动电路一直为直通模式,地址确认有效的LED驱动电路在接收的指令时序中增加本LED驱动电路的数据时序和处理时序发送,实现数据回读功能。
错误地址回读指令
错误地址回读指令由作为发送方的LED控制电路发出,由复位时序、地址有效确认时序和复位时序依次组成,如图9所示。此时地址确认无效的、或地址确认有效但错误寄存器值表示没有错误的LED驱动电路一直为直通模式;地址确认有效且错误寄存器值表示有错误的LED驱动电路将接收的指令时序中增加本LED驱动电路的地址数据时序和处理时序发送,实现错误地址回读功能。接收方的错误寄存器记录LED驱动电路对外接LED灯连接时检测得到的错误类型值,如开路、短路等。
3.2.3 通信方法
基于上述的通信原理和指令模型,本文提出了如下应用于LED显示系统的单线串接通信方法:
LED控制电路与若干个LED驱动电路串接组成LED通信系统,由LED控制电路实现对串接的LED驱动电路的控制,并与各LED驱动电路进行通信,从而实现对各个LED单元灯RGB信号的控制。
LED控制电路与各LED驱动电路的一次通信开始时,LED控制电路发出一条指令的复位时序,将串接的各LED驱动电路的通信模式寄存器设置为直通模式,每一次通信都以直通模式开始;进行LED控制电路对串接的若干个LED驱动电路的同步通信,各LED驱动电路再根据同步接收到的LED控制电路或前一个LED驱动电路发出的指令及地址有效确认结果进行操作,选择是否将直通模式设置为发送处理时序模式或发送数据时序模式,完成相应的指令操作、数据送入或回读功能。一次通信结束时,LED控制电路发出一条指令的复位时序,最终将各LED驱动电路的通信模式寄存器恢复为直通模式。
4结论
本文提出的LED显示系统的单线串接通信方法和指令模型,具有通信效率高、指令丰富、控制灵活、同步效果好等优点,可以有效地将LED显示系统中的控制电路与大量LED驱动电路通过单线串接构成串接通信系统,成本较低、布线简单、抗干扰能力强。该LED显示系统单线串接通信方法适用于各种LED显示系统,尤其是大型LED显示系统。
参考文献
[1] 诸昌钤. LED显示屏系统原理及工程技术[M]. 成都:电子科技大学出版社,2000.
篇7
关键词：LED电子显示屏；发展；分类；硬件电路
中图分类号：G632.0 文献标识码：A 文章编号：1992-7711（2014）09-0140
一、LED电子显示屏的发展及分类
第一阶段为1990年到1995年，主要是单色和16级双色图文屏。用于显示文字和简单图片，主要用在车站、金融证券、银行、邮局等公共场所。
第二阶段是1995年到1999年，出现了64级、256级灰度的双基屏。视频控制技术、图像处理技术、光纤通信技术等的应用将LED显示屏提升到了一个新的台阶。
第三阶段从1999年开始，红、纯绿、纯蓝LED管大量涌入中国，同时国内企业进行了深入的研发工作。
本次题目的要求是设计一个16*16的点阵LED电子显示屏，要求显示亮度均匀、充足，可显示图形和文字，显示稳定清晰，无串扰，显示方式要求有静止和移入移出两种显示方式。
1. LED点阵电子显示屏的设计方案
LED点阵电子显示屏的设计一般有两种方案：方案一：采用可编程逻辑器件作为核心控制器产生LED点阵的行、列驱动信号。方案二：采用单片机系统来实现。
本设计硬件方面以单片机AT89C51为主控制器，采用4块8×8点阵LED显示模块来组成16×16点阵显示模式，显示各种文字或单色图像。
2. LED点阵屏显示驱动方式比较
LED点阵屏显示电路常用的显示驱动方式有两种：
方案一：串行控制驱动，这种方式的好处是单元内的线路连接简单，给印刷电路板的设计带来方便，减少了布线的密度，方便以后的制作与调试，而且相对提高了每个单元的可靠性。
方案二：并行控制驱动，将显示数据通过并行（一般为8位）方式送入驱动电路，这样的好处是：相对于串行控制而言，数据的刷新速度快，在处理同等数量的数据时，对处理速度要求可以大大降低，从而提高了系统的稳定性，但也正因为“并行”使单元内的数据线路的连接更加复杂，布线后的排错难度大大增加。
二、关于硬件电路
1. 硬件电路设计基本思路
点阵式汉字显示屏的电路包含电源电路、复位电路、时钟电路、驱动电路、单片机控制电路和LED点阵屏显示电路等六大部分：（1）电源电路通过变压元件为整个电路提供5V的工作电位。（2）复位电路可在需要时为单片机手动复位清零，使整个电子显示屏初始化。（3）时钟电路是单片机的工作驱动电路；单片机内的程序控制着整个电路，其输出通过译码器SN74LS154译码作为点阵屏的驱动。（4）驱动电路，我们采用串行控制驱动方式。
2. 本系统所采用的硬件电路
系统所采用的硬件电路大致上可以分成单片机系统及电路、列驱动电路和行驱动电路三部分。
（1）电路
电源电路通过变压元件为整个电路提供 5V的工作电位 。
时钟电路由AT89C51的18，19脚的时钟端（XTAL1及XTAL2）以及12MHz晶振X1、电容C2，C3组成，采用片内振荡方式。
（2）列驱动电路
列驱动器由集成电路74HC595构成。
（3）行驱动电路
单片机P1口低4位输出的行号经4/16线译码器74LS154译码后生成16条行选通信号线，再经过驱动器驱动对应的行线。一条行线上要带动16列的LED进行显示，按每一LED器件20mA电流计算，16个LED同时发光时，需要320mA电流，选用三极管TIP127作为驱动管可满足要求。
3. 硬件电路所需器件介绍
（1）ULN2803A达林顿管阵列
达林顿管就是两个三极管接在一起，极性只认前面的三极管。
具体接法如下：以两个相同极性的三极管为例，前面为三极管集电极跟后面三极管集电极相接，前面为三极管射极跟后面三极管基极相接，前面三极管功率一般比后面三极管小，前面三极管基极为达林顿管基极，后面三极管射极为达林顿管射极，用法跟三极管一样，放大倍数是两个三极管放大倍数的乘积。达林顿管又称复合管。它将二只三极管适当的连接在一起，以组成一只等效的新的三极管。这等于效三极管的放大倍数是二者之积。
（2）74HC595芯片简述
①74HC595概述
74HC595是硅结构的CMOS器件，兼容低电压TTL电路，遵守JEDEC标准。74HC595是具有8位移位寄存器和一个存储器，三态输出功能。移位寄存器和存储器是分别的时钟。 数据在SCHcp的上升沿输入，在STcp的上升沿进入的存储寄存器中去。如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。8位串行输入/输出或者并行输出移位寄存器，具有高阻关断状态。
②74HC595 芯片驱动LED的特点
74HC595 芯片驱动LED有以下特点：速度较快，功耗较小，LED 的数目多少随意，既可以控制共阴极的LED显示器，也可以控制共阳极的LED 显示器，可以软件控制LED 的亮度，还可以在必要的时候关断显示（数据保留），以减小功耗，并可随时唤醒显示。
（3）关于软件
软件编程方面采用汇编语言编程，涉及了单片机的时钟、中断和复位的使用。
设计基本思路：①先对相关变量进行初始化。②循环扫描亮 16行 LED 称点亮一帧图象。③一帧图象扫描完毕后，列指针向右移动1位 ，再扫描下一帧图象。为了控制汉字共动的速度，有时候要对一帧图象扫描数次后才将列指针移位。依次类推，列指针共向右移动 16位。这样，主观上感觉到图象（下转第145页）（上接第140页）向左滚移动。④移动一个汉字 列指针右移 16位后，字指针向下一个汉字。再重复 2～4过程。这样，我们就能在显示屏上看到持续不断的滚动汉字信息了。
三、总结
篇8
白色LED正向压降VF为3.0~4.8V，小功率白色LED的工作电流为5~20mA，中功率及大功率白色LED工作电流可达数百毫安到上千毫安。根据LED的尺寸大小或照明的要求常用2~8个LED一同使用，并且要求亮度可调节，一般需用专用白色LED驱动器来驱动。本文介绍最近开发出来的各种新型白色LED驱动器及应用电路。包括便携式电子产品中常用的升压式DC/DC电路及升压式电荷泵电路；在某些锂电池供电场合，采用LD0电路供电；用LED作照明灯的应用场合，可采用交流供电。
AA T3142
AAT3142是ANALOGI TECH（高级模拟技术）公司近期推出的高效率、低噪声电荷泵式白色LED驱动器。
主要特点：输入电压范围2.7~5.5V；根据输入电压及白色LED的VF有不升压、升1.5倍及升2倍压的电荷泵（自动转换）三种模式，可满足VF=3.0~4.3V的白色LED工作；输出电流可供3路，每路30mA电流（恒流） ；电路筒单，仅需外接4个1μF贴片式多层陶瓷电容器；有32级数字控制亮度（单线串行控制） ；1MHz固定频率工作，噪声低；有关闭控制，在关闭状态时耗电小于1μA；自动软启动；12管脚TSOPJW封装；工作温度范围-40~+85℃。
应用领域：白色LED背光照明、数码相机闪光灯，也可用于可编程电流源。
应用电路：典型应用电路如图1所示。图中VBATTER为电池电压，Cin为输入电容，Ccp为电荷泵电路输出电容，C1、C2为泵电容，D1~D3为白色LED。EN/SET为单线串行控制（S2Cwire）端，输入不同的码可控制输出电流（从0~30mA分32级） ；在EN/SET接地电平时，为关闭状态，耗电小于1μA。
网址：。
LM2751
LM2751是国家半导体公司生产的稳压输出型升压式电荷泵式白色LED驱动器。
主要特点：输入电压范围2.8~5.5V；输出稳压的4.5或5.0V；输出电压精度在3%之内；峰值效率大于90%；有关闭控制，关闭状态时耗电小于1μA；输出电压4.5V时输出电流可达150mA；输出电压5V时输出电流可达80mA；振荡器频率可编程（725kHz、300kHz、37kHz、9.5kHz）；其相应的工作电流为1mA、0.7mA、0.45mA及0.42mA；输出纹波电压小，典型值为8mV；小尺寸10管脚LLP封装；工作温度范围-40~+85℃。
应用领域：白色LED背光、闪光灯、白色LED按键的背光，另外，它也可用作4.5V或5V输出的稳压电源使用。
应用电路：典型应用电路如图2所示。图中仅画出驱动2只白色LED，根据需要还可增加更多的LED。图中Cin、Cout分别为输入及输出电容，C1、C2为泵电容，R为限流电阻，EN端为使能输入端（高电平有效），CS0、CS1为振荡器频率选择端（如表1所示）。型号后缀中有A者为输出5V，B者为4.5 V。EN端输入PWM信号时可调节LED亮度。
网址：。
NCP5603
NCP5603是ON Semiconductor 公司推出的高效率、中功率白色LED驱动器，是一种自动工作模式选择（不升压、1.5倍升压及2倍升压）的电荷泵电路。
主要特点：输入电压范围为2.7~5.5V；输出电压可设定；最高转换效率可达90%；输出最大脉冲电流可达350mA；有输出短路保护，输出短路时有40mA短路电流（典型值）；10管脚QFN无铅封装；工作温度范围-40~+85℃。
应用领域：中、大功率LED的驱动、高亮度的闪光灯、背光照明。
应用电路：典型应用电路如图3所示。图中C1、C2是泵电容，C3、C4是输入及输出电容。Vse1是输出电压选择端，此端接0时，Vout为4.5V；此端接1时，Vout为5V。Fse1是振荡器频率选择端，此端接0时，Fop为262kHz；此端接1时，Fop为650kHz。EN/PWM是使能及PWM调光输入端，此端接0时，芯片不工作；此端接1时，芯片工作。当输入PWM信号时，根据脉冲宽度大小可调节LED亮度。如图3中C1=C2=C4=1μF时，最大连续直流负载电流可达200mA。
网址：。
MIC2292/93
MIC2292及MIC2293是MICREL公司的产品，是两种高效率、PWM升压式DC/DC变换器，具有恒流输出的白色LED驱动器IC。MIC2292振荡器频率为1.6MHz，MIC22932振荡器频率为2MHz。
主要特点：输入电压2.5~10V；输出电压高达15~34V；内部有肖特基二极管；内部开关额定电流500mA；反馈电压95mV；电压调整率及负载调整率优于1%；有关闭控制，关闭时耗电小于1μA；有过热保护及欠压锁存；8管脚MLFTM（2mm×2mm）封装；结温范围-40~+125℃。
应用领域：蜂窝电话、PDA、GPS、数码相机、MP3等背光照明及恒流源。
应用电路：典型应用电路如图4所示。图中串接在LED电路中的6.3Ω电阻是电流设定电阻，流过LED的电流ILED为95mV/6.3Ω=15mA。
网址：。
MP3205
MP3205是 Monolithic Power Systems公司推出的驱动5个白色LED的驱动器。
主要特点：可驱动串联的5个白色LED；转换效率可达87%；反馈电压104mV；软启动；可输入PWM信号控制亮度；有欠压锁存及过热关闭；输入电压2.5~6V；ILED可由反馈电阻R1设定，如表2所示；TSOT23-5封装；工作温度范围-40~+85℃。
应用领域：蜂窝电话、手持式计算机及PDA、数码相机等背光照明。
应用电路：典型应用电路如图5所示。
网址： monolithic 。
FAN5613
FAN5613是FAIRCHILD公司生产的低压差白色LED驱动器，能并联驱动4个白色LED。
主要特点：压差小于300mV；4个并联的LED电流匹配，差值
应用领域：由锂离子电池供电的LED背光照明。该器件的缺点是要采用VF低的白色LED。
应用电路：典型应用电路如图6所示。由RSET来设定LED的电流，EN端输入PWM信号来调节LED亮度。RSET与ILED关系见图7。
网址： 。
HV9921/22
HV9921/22是Supertex公司推出由交流供电（市电）的LED灯驱动器。
主要特点：定电流输出，HV9921为20mA，HV9922为50mA；输入电压为通用的85~264VAC；固定关断时间的降压式DC/DC变换器；内部有耐压500V的MOSFET开关管；HV9921可驱动LED串的电压为20~50V，HV9922可驱动LED串的电压为20~30V；3管脚TO-92或SOT-89封装。
应用领域：装饰灯、低功耗照明灯。
篇9
关键词： LED背光；高压驱动；超薄结构
中图分类号：TN312+.8 文献标识码：B
Design of LED Backlight Module Used for Ultra-thin LCD TV
LI Xiu-zhen
(Beijing BOE CHATANI Electronics Co., Ltd., Research Center, Beijing 100176, China)
Abstract: Applying large-size LED backlight is the new development trend of flat-panel TV industry. A large-sized ultra-thin edge-light type LED backlight is designed in this paper. Depending on the research of the LED manufacturers, LED has been chosen with the consideration of luminous efficiency, power consumption, structure design, etc. The light guide plate is designed through the optical design software. According to the specification and number of LED, the light-bar is designed to be double-layer MCPCB, and high voltage design is adopted in the driver control circuit which supports the PWM dimming. In order to achieve a better cooling effect, thermal design is carried out. The edge light type LED backlight designed in this paper, its thickness is 9.9mm, its power is 150W, its center brightness is 5,700nit, and the uniformity is 82% by testing. It reaches the leading level of the industry.
Keywords: LED backlight; high voltage drive; ultra-thin structure
引 言
液晶屏自身并不发光，为了可以清楚地看到显示屏的内容，需要一定的白光背光源。背光源是存在于液晶显示器内部的一个光学组件，由光源和必要的光学辅助组件构成。传统的背光源采用的是冷阴极荧光灯（CCFL），色彩还原性差，含有对人体有害的汞蒸气。LED背光源色彩还原性好、寿命长、不含汞、有利于环境保护。就驱动电路而言，传统的CCFL背光驱动线路十分复杂，要求上千伏特的驱动电压，利用专门的逆变器才能驱动起来。而LED可以低电压工作，响应速度快，控制较为方便。近年来LED被逐渐引入到现有的液晶显示技术中，背光源非常有可能成为下一个被LED垄断的产业。LED背光源如果通过增加对比度、区域控制等手段，性能要远远优于CCFL背光源。目前，LED背光源已经在中小尺寸面板中普及，如手机、数码相框等，随着LED技术的发展和LED芯片的不断成熟，LED液晶电视将可能逐步取代传统的CCFL液晶电视[1，2]。
背光源根据光源的位置不同分为直下式背光源和侧光式背光源。直下式背光源，直接把LED光源放在出光面下面，光源发出的光经过一段空间距离和扩散板的扩散和混合后，成为面光源发射出来[3]，直下式背光源需要一定的混光距离。而侧光式背光结构对超薄化的模块设计则更具优越性，随着“超薄风”的刮起，大尺寸超薄侧光式LED背光源成为各大电视厂商及上游企业的研究热点。
1 结构设计
本文所设计的LED背光源是侧光式超薄结构，整个结构包括：LED灯条、驱动板、膜材、导光板、散热块、上框架、背板。背光源采用白光LED，整个结构设计以Active Area的中心点为所有部件的设计中心，以液晶电视所用液晶屏的尺寸为前提，设计其它尺寸。综合考虑电路设计及光学设计的要求，对结构进行设计。结构设计先从LAYOUT布局图着手，表达整体机构以及各部件相互之间的装配关系，然后着手零件图结构设计。上框架采用分段式设计，在长度方向上分段，避免长度过长。灯条的出线端设置在背板的四个角处，减少绕线长度。
2 光学设计
背光模组的作用是把点光源发出的光通过漫反射使之成为面光源。为了得到合格的面光源，首先要选择合适的LED，本设计采用的是白光双芯片LED。通过预设白场光度指标，结合对液晶屏、光学膜等影响因素的研究分析，完成对整个背光源所需光通量的计算。根据计算的光通量，结合LED的光学特性计算出所需LED的颗数。表1所示为所选LED的电学及光学特性。
为了提高背光源的亮度，膜材结构搭配为：一层扩散片+一层BEF+一层DBEF。其中，扩散片的作用是借扩散物质的折射与反射将光雾化，让射出的光更加均匀；BEF的作用是将光线聚拢，使其垂直进入液晶模块以提高辉度；DBEF是利用原先被传统吸收型偏光片吸收的50%的光线来增加亮度。导光板网点直径为0.54～1.55mm。图1所示为导光板的部分网点分布图。
3 电路设计
LED背光源电路设计主要包括灯条设计和驱动控制电路设计，图2所示为整个电路部分的结构框图。
3.1 灯条设计
光源采用双芯片白光LED，灯条分布在背光源的四周。为了达到更好的电流均一性，灯条采用串并混联，实行两并多串。为了取得更好的散热效果，LED灯条采用铝基板加工制作。整个系统输入电压为24V，此电压由外部电源转换器提供。
3.2 驱动控制电路设计
驱动芯片是三路峰值电流模式PWM控制器，通过闭环控制输出电流提供高精度LED电流。该芯片包含三个峰值电流模式控制器，给IC提供反馈，以确保更高效率和更高精度。芯片上的栅极驱动器进行了优化，用来驱动0.25A源电流或0.5A沉电流的逻辑电平FET，每个输出电流可通过线性或PWM调光方法进行单独调光。该芯片的闭环系统能动态调节它的输出电压，以适应LED电流的线路和负载调整。单一封装内集成的三路驱动器保证了每串间有更好的电流匹配，同时降低了整个系统的芯片数量。具有40V线性稳压器，提供5V电源给IC供电，三个转换器的开关频率由内部振荡器控制，三路有120°的相位差，以降低输入电流波纹。高压驱动，电流匹配度良好。LED串间电流精度为±2%，支持线性和PWM调光。
3.3 散热设计
由于LED的光效较低，工作时会产生大量的热量，如果不解决散热问题，会导致LED发光亮度的衰减和使用寿命的缩短。为了抑制LED产生的热量影响背光模组的辉度和色度，就要对LED进行散热设计。
为了达到更好的散热效果，将LED阵列焊接在铝基板上（MCPCB），铝基板比普通的PCB（FR4材质的PCB）散热效果要好很多倍。在铝基板下面，设计了长条形的散热块。在散热块和灯条之间贴敷导热双面胶，并用螺钉固定铝基板和散热块。在背光源的四周热量聚积地带，贴敷带保护膜的导热片。为了降低热阻，在LED焊盘上加导热过孔。这样，减少了PCB板垂直于热流方向的截面积，从而减少了顶层和底层之间的热阻而加强了LED灯热量的传导。最后，依靠电视机壳里的空气对流将热量散掉。
4 测试结果及结论
本文所设计的液晶电视用超薄LED背光源为侧光式结构，光源采用白光LED。图4所示为组装后的LED背光源，厚度为9.9mm。利用BM-7进行九点测试，中心辉度为5,500nit，亮度均齐性为82%，色彩还原性达到95%@CIE 1976。背光源整体功率为150W，其中LED功耗为135W，驱动电路效率达90%。背光系统的驱动电路属于高压驱动，电路简单，电流一致性良好。
5 结论
本文设计了一款大尺寸超薄液晶电视用LED背光源，中心亮度达到5,500nit，整体背光源功率为150W，亮度均齐度为82%。整机厚度为9.9mm，达到业内领先水平。本文设计的背光源已通过信赖性测试，为量产打下了基础。
参考文献
[1] 张成功. LED背光源驱动及光学设计技术研究[D]. 中国海洋大学学位论文，2009年6月.
[2] 黄启智. LCD显示器的背光技术分析及应用[N]. 漳州职业技术学院学报，2008年1月.
[3] 王大巍，王刚，李俊峰，刘敬伟。薄膜晶体管液晶显示器件的制造、测试与技术发展[M]. 机械工业出版社.
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篇10
近年来，LED屏幕凭借其亮度高、功耗低、环境适应能力强、驱动简单等优点被广泛应用［1］。尽快建立相应的LED屏幕教学实验平台，是为社会培养具有相关应用技能和创新人才的需要，也是各大、专院校相关专业实验教学的共同任务。之前我们设计的8×8LED发光二极管阵列扩展装置，使学生体会到理论知识转化为实际应用技能的乐趣，但在显示汉字及较复杂的动态图形方面，对学生想象力的发挥存在着某些局限性。从目前普通高校的16×16LED发光二极管阵列实验平台的应用现状看，较多采用三极管作为驱动电路的主要器件，需要配置32个三极管，既不美观，又不便于安装、维护和维修。为此，自主设计了一种无需三极管，只用芯片组成的16×16LED发光二极管阵列控制驱动装置，满足了教学的需求，又为实验室提供了一个更为便捷的维护、维修环境。这些年来，学生利用该实验平台实现了中文／英文的静态显示、动态移动和旋转显示功能，完成了灰度图像显示和信息播放屏显示，还有迷宫游戏、打砖块游戏、多个障碍物贪吃蛇游戏、坦克大战等动画游戏内容，使综合实验更加丰富多彩。学生在实验中逐步体会到了个性化设计乐趣，提高了自身创新思维能力和实践动手能力［2］。
1硬件系统设计
1．1设计思路结合微机原理与接口技术的理论课和实验课内容，选用工作原理简单的常用芯片，和较易编程的汇编语言程序，完成由微机经8255A可编程并行I／O接口芯片锁存输出［3］和驱动电路，控制16×16LED屏幕，实现汉／英字符和画面的静／动态显示功能。如图1所示，8255A的C口连接扫描电路与列驱动电路、A口和B口连接行驱动电路。驱动电路的主要功能是提供与LED相匹配和足够高的正向导通电压和驱动电流［4－5］。另外，从我校的实验环境考虑，将8255A的控制信号和数据信号改接到51单片机实验箱上，就可搭建实现单片机控制的LED屏幕显示系统。
1．2电路设计及其功能
1．2．1控制电路微机通过8255A的A口和B口向16×16LED阵列的16个行并行送出显示数据，用8255A的C口低四位定时扫描控制16×16LED阵列中16列的某一列。各端口信号均以高电平有效时导通点亮LED。在编程扫描时间和刷新时间时需要利用人眼的视觉暂留效应来确定。当刷新速度高于一定值后，在人眼中呈现的就是点亮的LED组成的画面，实现人们需要的屏幕显示效果。
1．2．2LED阵列的行限流和驱动电路如果将8255A芯片A口和B口输出直接连接16×16LED发光二极管阵列的各行发光二极管的阳极，会使发光二极管亮度很暗。为提高发光二极管的发光强度，本驱动电路采用了2个74HCT241芯片，分别将8255A芯片A口和B口输出的TTL电平提升为CMOS电平［6－7］。各行的驱动芯片管脚分别串接限流保护电阻后，再连接发光二极管阵列的各行，限制每个发光二极管的工作电流大小及其发光强弱。编程时，传送显示画面点阵图的列数据直接用8255A的A口、B口输出命令即可。它的优势在于，显示数据由2个8位口并行输出，传送数据的速度快于串口传送方式。LED显示时间只用软件调整决定。硬件电路原理简单，软件编程容易，利于学生作为扩展实验内容学习掌握。
1．2．3扫描选通电路为减少使用的控制芯片数量和控制口数量，采用2个74LS138级联方法，将8255A的C口低四位与2个74HCT138级联后的输入端连接，完成4位信号分时扫描选通16列的功能。剩下的8255AC口高四位可作它用，也可扩展扫描电路用，多级联1个74138，就多用1个C口管脚。可查阅芯片说明完成［8］，扩展原理简单。
1．2．4LED阵列的列驱动电路考虑发光二极管阵列的一列可能有16个发光二极管点亮，而用74LS138直接驱动每只发光二极管的电流太小，亮度不够。因此选用了2个具有很强电流驱动能力的ULN2803芯片，它是一种高电压、高电流达林顿晶体管阵列驱动器芯片［9－10］。当74LS138选通后，7404反相为正电平输出，经ULN2803芯片驱动发光二极管的电流提升到8mA以上。ULN2803芯片1个管脚上的电流可达140mA，且远没达到ULN2803芯片最高电流500mA，还可驱动扩展更大的LED屏，见表1。2软件程序设计
2．1软件环境本系统使用DOS8086／8088指令系统和MASM－86汇编语言。主要步骤［11］：（1）编辑汇编语言源程序．ASM文件：C＞EDIT＊．ASM；（2）汇编源程序，生成．OBJ等文件；C＞MASM＊．ASM；（3）连接程序，生成．EXE等文件；C＞LINK＊．OBJ；（4）DEBUG调试程序。
2．2编程编程前要获取显示画面数据。先画出二进制数0（不亮）和1（亮）组成的发光二极管点阵图，再得出列的数据表，存入内存或文件中。编程执行8255A3个端口的输出命令，再间隔合适地刷新扫描时间，即可完成对各列定时扫描，传送汉字或画面点阵图的各行数据，实现256LED阵列整屏显示功能。根据人眼视觉暂留时间约为20ms［12］，只要用小于人眼视觉暂留时间点亮LED阵列，在人眼中呈现的就是LED屏幕整屏画面。由此看出，编程过程较为简单，易于学生学习掌握，适合在可编程控制类的综合实验中安排完成。3实验效果屏显示效果如图2和图3所示。经测试，当限流电阻为200Ω时，各路发光二极管的驱动电流均可达到8mA以上。表明此电路电流驱动能力强，扩展方便，采用普通的发光二极管阵列，也能保持较强的发光强度和均匀的亮度，而且便于维护维修。
4实验教学
我院确定大二或大三学生，在“微机原理与接口技术实验课”的基础单元实验之后，由学生自选完成256（16×16）LED阵列控制驱动系统的综合实验内容。学生借助参考程序了解LED阵列，学习字的显示及滚动原理，然后根据自己的综合实验内容，选择实现显示文字或画面的上、下、左、右滚动及转动功能。综合实验阶段学生可选定或自定内容，但必须选用2个或2个以上的可编程接口芯片和其他应用电路。因此学生不但设计出了许多游戏内容，还设计扩展了多种具有应用价值的显示功能。通过综合实验，学生加深了对理论知识的理解，提高了实际应用技能和创新能力，同时激发了学习兴趣，增强了独立完成设计编程应用系统的信心。